Цитохромоксидаза
и перенос электронов

Химия отличается от биохимии тем, что позволяет слишком много «вольности» своим реагентам, что делает протекание реакций и получение их продуктов – особенно в органической химии – сугубо вероятностным процессом. Для снижения уровня неопределенности химики с помощью различных внешних воздействий (нагревания, лазерного или ультрафиолетового облучения и т.п.) повышают энергетический уровень электрона, благодаря чему создается возможность получения промежуточных соединений и реакция становится осуществимой.

Биохимия себе таких резких воздействий на реакционную смесь позволить не может. Если у нас хоть на полградуса сверх 36,6 повышается температура, мы начинаем чувствовать себя не в своей тарелке. Мы ведь, по определению классика, суть белковые тела, а жизнь – это способ существования подобных тел.

Протеины (белки) как представители биополимеров – это длинные цепочки аминокислот, соединенных друг с другом довольно прочными ковалентными пептидными связями

Но сами по себе эти цепочки безжизненны, о чем свидетельствует белок сваренного яйца.

Для проявления биологической активности они должны сложиться (свернуться) в определенную пространственную конформацию. Чаще всего полипептидные цепи спирально скручиваются (вторичная структура фибриллярных белков) или образуют компактную, плотно упакованную структуру (третичная, характерная для глобулярных белков).

Существенную роль в поддержании трехмерной структуры белковых молекул играет водородная связь, образуемая при взаимодействии карбонильных С=О и аминогрупп NH боковых цепей аминокислот, а также аминогрупп NH и атомов азота, не содержащих водород:

«Энерговооруженность» водородной связи в 5–20 раз ниже ковалентной (образованной объединением электронной пары). Поэтому водородные связи в белках довольно легко разрушаются при нагревании или изменении кислотности среды, что приводит к нарушению пространственной конформации белковой молекулы и потере биологической активности.

Поэтому белки функциональны только в определенных физиологических условиях.

Все химические реакции, протекающие в организме, происходят благодаря особому классу белков – ферментам. Это очень лабильные белки. Их функция легко блокируется, «отключается» как при охлаждении, так и при легком нагревании.

Амфибии и рептилии, например, активны лишь после того, как согреются на солнышке, теплокровные животные сохраняют активность и на морозе, но до тех пор, пока у них не закончатся запасы АТФ – важнейшего макроэргического соединения, расходуемого на обеспечение энергией различных процессов жизнедеятельности. Протеолитические ферменты гнилостных бактерий при комнатной температуре активно расщепляют белки, но при охлаждении активность ферментов резко снижается, поэтому мясо сохраняется определенное время в холодильнике и значительно дольше в замороженном состоянии. Ферменты разрушаются и при тепловой обработке, поэтому вареное мясо тоже некоторое время не портится и молоко не скисает после кипячения.

Биохимия отличается от химии как компьютер от обычных деревянных счетов. Малейшее изменение положения последних приводит к смещению костяшек и может нарушить результат расчета. Компьютерный же чип все фиксирует в своей памяти, удерживая результат достаточно долгое время.

Так и фермент с его активным центром за счет точного пространственного сближения атомов и ионов позволяет не только фиксировать результат протекания реакции, но и существенно ускоряет ее протекание. Немаловажно также и то, что ферментативные реакции по сравнению с обычными химическими – высоко точные, или специфичные.

Здесь хотелось бы привести конкретный пример, касающийся фермента цитохромоксидазы, т.е. окисляющей (отнимающей электрон) с помощью атмосферного кислорода. Его главное «место работы» – внутренняя мембрана митохондрии, являющейся энергетической станцией клетки. Именно в митохондриях вырабатывается АТФ. Энергия для замыкания концевой эфирной связи Р–О–Р, где Р является остатком фосфорной кислоты, берется при «сжигании» глюкозы в присутствии кислорода, доставляемого в клетки с кровью из легких. В процессе клеточного дыхания углерод глюкозы «выбрасывается» в виде углекислого газа, а водород отщепляется в виде электрон-протонной пары.

Долгие десятилетия ученые отдавали пальму первенства в энергоснабжении клетки электрону. Довольно быстро была выделена особая белковая цепь переноса электронов (электрон-трансфера). При этом транслокации протона уделялось как-то меньше внимания. Считалось, что он пассивно перемещается параллельно цепи переноса, чтобы в конце ее соединиться с электроном и кислородом, образуя воду.

Однако уже в наше время электрохимики справедливо указали биологам на то, что прохождение протона через митохондриальную мембрану создает мощный протонный градиент, без которого невозможен синтез АТФ, требующий довольно много энергии. Недаром третью связь называют макроэргической, т.е. несущей много энергии (7–10 ккал/моль).

Фермент цитохромоксидаза – важнейшее звено дыхательной цепи, связывающее восстанавливаемый четырьмя электронами атмосферный кислород с протонной помпой-насосом. И.Белевич и М.Верховский вместе со своим коллегой М.Вилкстремом из Института биотехнологии Хельсинкского университета получили энзимный протеин в чистом виде, что позволило провести его рентгеноструктурный анализ и изучить кинетику процесса на атомном уровне в режиме реального времени.

В ходе экспериментов был выявлен ранее неизвестный механизм протекания этой важнейшей биоэнергетической реакции (рисунок). Выяснилось, что электроны последовательно переносятся к кислороду от цитохрома с, проходя при этом через два металлических центра. В первом находится медь, валентность которой может обратимо меняться [Cu(II)–Cu(I)], а второй представлен гемом а с железом в центре, сходным по строению с гемом гемоглобина крови. В центре его плоской молекулы, замкнутой в цикл из четырех пиррольных колец, находится железо, обладающее переменной валентностью (+2 или +3). Оставшиеся пятая и шестая координационные связи железа расположены перпендикулярно плоскости порфиринового кольца и могут связывать различные лиганды. Например, железо в гемоглобине может нековалентно связывать молекулу кислорода в легких и углекислого газа в клетках. Так происходит газообмен в нашем организме.

Рис. Структура и функция цитохромоксидазы. (электрон от цитохрома с передается через CuА на гем а и далее в место восстановления кислорода (гем а3 с CuB), откуда наружу выделяется вода; между двумя гемами прокачиваются протоны, часть которых идет на образование воды; в транслокации протонов участвуют боковые цепи аминокислот D124 и E278)

Ранее предполагалось, что перенос электронов и транслокация протонов никак между собой в ферменте не связаны. Наши же ученые опровергли это мнение. Их результаты говорят о том, что электрон переносится от цитохрома с во внутренний активный центр энзима, где соединяется с «привлекаемым» извне кислородом. Этот процесс запускает антипараллельную транслокацию протона, «перекачивая» его с одной стороны митохондриальной мембраны на другую и тем самым создавая протонный градиент, который необходим для снабжения энергией процесса замыкания макроэргической связи АТФ.

Побочным продуктом этих сложных трансферных и транслокационных процессов является образование из электронов, протонов и кислорода воды, которая также выделяется по ту же сторону мембраны, что и протон. Вода выделяется из легких на выдохе, что можно легко обнаружить по запотеванию зеркальца или стекол очков.

То же самое мы видим и в окислительно-восстановительной (редокс) реакции образования воды. Для восстановления молекулы атмосферного кислорода требуется 4 электрона, «прохождение» которых приводит к транслокации одного протона. На трансфер двух протонов, которые необходимы для образования молекулы воды, «тратится», следовательно, 8 электронов.

Если учесть, что отщепленный от глюкозы водород дает всего лишь один электрон, то протонов получается избыток. Через фермент прокачивается значительно больше протонов, нежели он способен связать в воду. Таким образом, КПД энзима оказывается значительно меньше 100%. Что в общем-то закономерно в нашем материальном мире, где энергии всегда расходуется больше, чем совершается работы.

Избыточное количество прокачиваемых сквозь мембрану протонов, особенно при больших физических нагрузках, может приводить к закислению среды по одну из ее сторон. Глюкоза в результате этого не полностью «сжигается» в атмосфере кислорода, и процесс замедляется. При этом образуется главный продукт недоокисления – молочная кислота (лактат), от присутствия которой на следующий день после интенсивных физических упражнений болят мышцы.

Ученые указывают также, что структурные особенности фермента цитохромоксидазы «роднят» его с другой хорошо известной протонной помпой под названием бактериородопсин.

Наличие двух хорошо изученных белков позволяет проводить молекулярные сравнения и еще больше детализировать знания об их работе. Это сродни изучению не одного углеводорода, а целого гомологического ряда. Со временем можно будет надеяться на создание сверхминиатюрных молекулярных каскадов электронных переносчиков и протонных насосов, встроенных в синтетические мембраны, которые с успехом заменят нынешние чипы и батарейки. При этом способ подзарядки сведется всего лишь к замене миниатюрного картриджа со сладенькой водичкой…

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2006, April, p. 829)